原子是構成物質的基本單元。我們周圍的一切—從空氣和水，到巖石、植物和動物—乃至我們自身與體內的一切，皆由原子組成。
何為原子？
解讀“核”
原子是元素中保持其化學性質的最小單位。原子由質子、中子和電子組成。
原子非常微小，是元素中保持元素化學性質的最小單位。古希臘人曾認為原子是存在的最小粒子，而“原子”一詞正源自希臘語中的“不可分割”。單根人類頭發的粗細，相當于50萬個碳原子層層堆疊的厚度。
在這張照片中，單個金屬鍶原子之所以可見，是因為它吸收并重新發射了激光光束。圖中兩個電極間的距離為兩毫米（照片來源：David Nadlinger/牛津大學）。
原子無法用肉眼看到，甚至在標準顯微鏡下也難以觀測。原子過于微小，無法使可見光波發生偏折，這意味著它不會在光聚焦顯微鏡下顯現。借助電子顯微鏡可以觀察原子，因為電子顯微鏡能產生可與原子相互作用的電子波。在上圖中，原子之所以“可見”，是因為它吸收并重新發射了激光光束。
原子長什么樣？數個世紀以來，科學家的認知一直在演進。
原子由什么構成？
每個原子由三種類型的粒子組成：質子、中子和電子。原子中心是一個致密的原子核，其中包含質子和中子，其體積比整個原子小得多。若將原子核比作彈珠大小，整個原子的大小則堪比一座體育場。
質子帶正電荷，中子則呈中性。原子核之所以能保持穩定，是由于“核力”的作用。這種力能在接近原子核大小的距離內將質子和中子緊密結合。在此距離下，核力的強度遠遠超過質子間的電荷斥力（由于質子帶相等電荷，若無核力作用則會相互排斥）。而在更大距離上，這種核力會迅速減弱至微不足道的程度。
原子核中的質子數量決定了其所屬元素。例如，含有一個質子的原子是氫，含有八個質子的原子則是氧。
原子核周圍環繞著電子云 — 這些是帶負電的粒子。原子核與電子通過庫侖力相互作用結合在一起 — 這種力在物理學中描述了這些帶電粒子之間的排斥或吸引。然而，當電子獲得能量時，可以脫離原子，使原子轉變為帶正電的離子。
原子能機構標識中心的原子含有四個電子，這意味著如果它呈中性且未電離，則為鈹元素。
何為離子？
當原子所含帶負電的電子數與帶正電的質子數相等時，正負電荷相互抵消，原子呈電中性。若原子獲得或失去電子，便會轉化為離子。
(信息圖: M. Magnaye/國際原子能機構)
中性原子的電場弱，而帶電或電離的原子擁有強電場，使其對帶相反電荷的離子和分子產生強烈吸引。原子可以通過與其他原子、離子及亞原子粒子碰撞而發生電離。它們也可能因暴露于γ射線或X射線輻射而電離。電離輻射系指能量足以使電子脫離原子的輻射。它還能引發化學性質改變，例如損傷活體組織中的DNA。
(信息圖: M. Magnaye/國際原子能機構)
地球上大多數原子是穩定的，這主要歸功于其原子核內粒子（中子和質子）的平衡組成。
然而，某些類型的不穩定原子因其原子核內質子與中子的數量比例無法維持粒子間的結合。在這種情況下，原子會發生“衰變”，并以輻射形式（例如α粒子、β粒子、γ射線或中子）釋放能量；若能安全駕馭和使用這種能量，則可產生多種效益。
(信息圖: M. Magnaye/國際原子能機構)
歐內斯特·盧瑟福：“原子粉碎機”的發明者
1917年，一位名叫歐內斯特·盧瑟福的科學家發現，通過將放射性α粒子束轟擊氮氣，氮原子會轉變為氧原子并釋放出一個氫原子核。這個亞原子粒子（氫原子核）后來被重新命名為質子。
(信息圖: M. Magnaye/國際原子能機構)
盧瑟福的發現推動了第一臺粒子加速器的研發，該裝置最初被稱為“原子粉碎機”。這種強大機器能利用電場使帶電粒子沿軌跡加速至高能狀態，并通過強磁體形成單電荷粒子束。當高速運動的粒子撞擊目標時（其速度幾乎可接近光速），目標中的原子便會發生分裂。
粒子加速器亦可通過向原子發射帶電粒子使其轉變為不同的不穩定原子，從而制造放射性物質，例如用于醫學成像的锝-99m以及用于靶向癌癥治療的放射性同位素。
如今，粒子加速器還被用于醫療設備消毒、研究宇宙起源（例如在大型強子對撞機中），以及分析空氣樣本和強化材料并提升其抗損性能。不同類型的粒子加速器包括離子注入機、電子束加速器、回旋加速器、同步加速器、直線加速器和靜電加速器。
原子在核聚變中會發生什么變化？
核聚變是兩個輕原子核結合形成單個較重原子核同時釋放巨大能量的過程，這一理論在20世紀20年代首次被闡明。
聚變反應發生在一種稱為等離子體的物質狀態中，等離子體是由正離子和自由移動電子構成的熾熱帶電氣體，具有不同于固體、液體或氣體的獨特特性。
(信息圖: M. Magnaye/國際原子能機構)
裂變可用于引發核鏈式反應。每次鈾-235原子發生分裂時，平均會釋放2.5個中子。這些中子可以繼續分裂更多可裂變原子核，釋放出更多中子。然而，這些“快”中子最初攜帶過高的能量，無法有效引發裂變。使用水或石墨等“慢化劑”，中子的速度得以降低。中子在與氫原子或碳原子碰撞時損失大部分能量，轉變為“熱”中子或“慢”中子，從而顯著提升分裂其他鈾原子核的概率。
核裂變技術現在被用來制造世界上10%的無碳能源 — 因為核裂變過程不產生二氧化碳。
原子在核聚變中會發生什么變化？
核聚變是兩個輕原子核結合形成單個較重原子核同時釋放巨大能量的過程，這一理論在20世紀20年代首次被闡明。
聚變反應發生在一種稱為等離子體的物質狀態中，等離子體是由正離子和自由移動電子構成的熾熱帶電氣體，具有不同于固體、液體或氣體的獨特特性。
(信息圖: M. Magnaye/國際原子能機構)
太陽以及所有其他恒星均以此反應為能量來源。為了在太陽內部實現聚變，原子核需在大約一億攝氏度的極高溫度下相互碰撞。高溫賦予原子核足夠能量以克服相互電荷斥力。一旦原子核進入極近距離，它們之間的核吸引力將超越電荷斥力，從而使聚變得以發生。要實現這一過程，必須將原子核限制在微小空間內，以增加碰撞的機會。在太陽內部，其巨大引力產生的極端壓為聚變創造了條件。
欲了解更多聚變能源知識，請參閱讀我們的專題解讀。
